半导体专业实验补充silvaco器件仿真

半导体专业实验补充silvaco器件仿真半导体专业实验补充sｉlvａcｏ器件仿真————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:实验2PN结二极管特性仿真1、实验内容（1)ＰN结穿通二极管正向I-Ｖ特性、反向击穿特性、反向恢复特性等仿真。（2）结构和参数：ＰN结穿通二极管的结构如图1所示，两端高掺杂,ｎ-为耐压层，低掺杂，具体参数：器件宽度4μm，器件长度20μm，耐压层厚度1６μｍ，p+区厚度2μm，n+区厚度２μｍ。掺杂浓度:p+区浓度为１×１０１9cｍ-3，n+区浓度为１×１０1９cm-3,耐压层参考浓度为５×１01５cm-3。0Wpnn图1普通耐压层功率二极管结构２、实验要求（1)掌握器件工艺仿真和电气性能仿真程序的设计（2）掌握普通耐压层击穿电压与耐压层厚度、浓度的关系。3、实验过程#启动Aｔhenａgoathenａ＃器件结构网格划分;liｎexloc=０.0spac＝0.４linexloc=４．0spac=0.4ｌiｎｅｙloc=0.0ｓpａc＝0.5ｌineyloc=2．0spaｃ=0.1lineyloc=1０spac=0.５ｌｉneyｌoc＝18ｓpaｃ＝0.1lineyloc＝20ｓpaｃ=0.5＃初始化Si衬底;iｎｉｔsilicｏnc.phｏs=5e15orientａｔｉon=100two.d#沉积铝;depositalｕmtｈick=１．1div＝10#电极设置elecｔｒｏdenａme＝ａｎodex=1eｌectrｏdｅnａme=ｃaｔhoｄebacｋsiｄe#输出结构图structurｅoutｆ=ｃb0.strtonyplotｃｂ0.stｒ＃启动Ａtlasgoaｔlaｓ#结构描述dｏpingp．ｔypｅconc=1ｅ２0ｘ.miｎ=0.0x.mａｘ＝4.0y．min=０y.max＝２．0ｕｎiｆormdopinｇｎ.tyｐecｏnc=1e20x．min=0．0x.ｍaｘ=4.０ｙ.min=1８y.maｘ=20.0ｕniforｍ#选择模型和参数modelscｖtsrhprintｍethｏdcarｒｉｅrs=2ｉmpａctselb＃选择求解数值方法methoｄnewton#求解solveinitｌogｏutｆ=cb02.logsｏｌvevanoｄｅ=0.03sｏｌｖevanodｅ=0.1vsteｐ=0．1vfｉnal=5ｎame=aｎode#画出IＶ特性曲线ｔｏnyplotcb02.ｌoｇ#退出ｑuit图2为普通耐压层功率二极管的仿真结构。正向I-V特性曲线如图３所示，导通电压接近0.8V。图２普通耐压层功率二极管的仿真结构图3普通耐压层功率二极管的正向Ｉ－V特性曲线运用雪崩击穿的碰撞电离模型,加反向偏压，刚开始步长小一点,然后逐渐加大步长。soｌｖeｖanoｄe=-０．1vstｅｐ=－0.1vfinal=-5nａｍe=anodeｓolvｅvanoｄe＝－5．５vｓtep＝-0．５vfｉnａl=-20name=anodeｓoｌvｅvaｎode＝-２2vｓteｐ＝-2vfｉnal=－40nａｍｅ=anodesolvevanｏｄe=-45vstｅp=-５ｖｆinaｌ=－2４０naｍe=aｎode求解二极管反向IV特性，图4为该二极管的反向Ｉ－V特性曲线。击穿时的纵向电场分布如图5所示,最大电场在结界面处,约为2．５×１0５V?ｃｍ-1，在耐压层中线性减小到80０0０V?cｍ-1。?图4普通耐压层功率二极管的反向I-V特性曲线图5普通耐压层功率二极管击穿时的电场分布导通的二极管突加反向电压,需要经过一段时间才能恢复反向阻断能力。电路图如图6所示。设t=0前电路已处于稳态,Ｉd=Ｉｆ0。t=0时，开关K闭合，二极管从导通向截止过渡。在一段时间内,电流Iｄ以di0/dt=-Ｕｒ／L的速率下降。在一段时间内电流Id会变成负值再逐渐恢复到零。仿真时先对器件施加一个1V的正向偏压，然后迅速改变电压给它施加一个反向电压增大到2V。solveｖanｏｄe=1ｌoｇoｕｔｆ=cj2_１.loｇｓoｌvevcathoｄe=2.０ramptime=2．０e-8ｔstop=５.０ｅ－7tsteｐ=1．0e-1０反向恢复特性仿真时，也可以采用如图7的基本电路，其基本原理为：在初始时刻，电阻R1的值很小,电阻R2的值很大，例如可设Ｒ1为1×10-3Ω，R2为1×1０6Ω；电感L1可设为3ｎH；电压源及电流源也分别给定一个初始定值v1，i1；那么由于R2远大于Ｒ１，则根据KＣL可知,电流ｉ1主要经过R１支路，即ｉ1的绝大部分电流稳定的流过二极管，二极管正向导通，而Ｒ2支路几乎断路,没有电路流过。然后，在短暂的时间内,使电阻Ｒ2的阻值骤降。此时，电阻器R２作为一个阻源，其阻值在极短的时间间隔内以指数形式从１×106Ω下降到1×10-3Ω。这一过程本质上是使与其并联的连在二极管阳极的电流源i1短路,这样电流ｉ1几乎全部从R2支路流过,而二极管支路就没有i1的分流，此刻电压源v1开始起作用，二极管两端就被施加了反偏电压，由于这些过程都在很短的时间内完成,因而能够很好的实现二极管反向恢复特性的模拟。反向恢复特性仿真图如图8所示,ＰN结功率二极管的反向恢复时间约为50ｎs。图６反向恢复特性测试原理电路图R1R2L1二极管独立电流源i1独立电压源V1+-+-图７二极管反向恢复特性模拟电路图图8器件反向恢复特性曲线?实验３ＰＮ结终端技术仿真1、实验内容由于ＰN结在表面的曲率效应,使表面的最大电场常大于体内的最大电场，器件的表面易击穿,采用终端技术可使表面最大电场减小，提高表面击穿电压。场限环和场板是功率器件中常用的两种终端技术。场限环技术是目前功率器件中被大量使用的一种终端技术。其基本原理是在主结表面和衬底之间加反偏电压后,主结的ＰＮ结在反向偏压下形成耗尽层,并随着反向偏置电压的增加而增加。当偏置电压增加到一定值是，主结的耗尽层达到环上，如图1所示,这样就会使得有一部分电压有场环分担,将主结的电场的值限制在临界击穿电压以内，这将显著的减小主结耗尽区的曲率,从而增加击穿电压。图1场限环场板结构在功率器件中被广泛应用。场板结构与普通PN结的区别在于场板结构中PN区引线电极横向延伸到PN区外适当的距离。而普通PN结的P区引线电极的横向宽度一般不超过P扩散区的横向尺寸。PN结反向工作时,P区相对于Ｎ型衬底加负电位。如果场板下边的二氧化硅层足够厚，则这个电场将半导体表面的载流子排斥到体内，使之表面呈现出载流子的耗尽状态,如图2所示，就使得在同样电压作用下,表面耗尽层展宽,电场减小，击穿电压得到提高。2、实验要求(1）场限环特性仿真场限环：击穿电压2０0V,设计３个环,环的宽度依次为6、5、5、5μm,间距为４、5、6μm,外延层浓度为1×1015cm-３,观察表面电场。（2）场板特性仿真??场板：氧化层厚度１μm,结深１μm,场板长度分别为0μm、2μｍ、４μm、6μm、8μm、10μm，外延层浓度为1×1015cm-3，观察表面电场。?图２场板?3、场板的应用实例:场板对大功率GaＮHＥMＴ击穿电压的影响(1)内容（a)GａNHEＭT的工作机理、击穿特性刻画以及对场板结构的ＧａNHEMT击穿特性的进行仿真分析。（b）结构和参数：场板结构的GａNHEMT的结构尺寸及掺杂浓度如图3所示。图３场板结构的大功率GａNHEMＴ?(2)要求（a)掌握定义一个完整半导体器件结构的步骤，并能对其电性能进行仿真研究。（ｂ)理解场板技术对器件击穿电压提高的作用原理并能结合仿真结果给出初步分析。(3）实验过程#启动iｎｔernal,定义结构参数#场板长度从1uｍ增大到2.25ｕm，步长为0.２5ｕm,通过改变l取值来改变场板长度ｓetl=1.0#dｒain-gatedistａncesetLｄｇ=5.1#ｆiｅldpｌaｔethickｎessｓett=1.773５５＃AlGaＮcomｐoｓitioｎfｒａctioｎsｅtｘc=０．２９5#sｅttrapｌｉfｅｔimesetlt＝１e-7ｓetliｇhｔ=1ｅ-５＃mｅsｈlocａｔｉoｎsbasedｏｎfiｅlｄｐlａｔｅgｅｏmetrｙｓetｘｌ=０.9+$lｓetxｄ=0.9+＄Lｄgseｔy１=0.3＋＄tseｔy2＝＄ｙ1+0．02ｓety3=$y2＋0．0４sｅty4=$y2＋0.18#启动二维器件仿真器goａtｌasmesｈwｉdth＝１０0０?#网格结构ｘ.ml=０.0ｓ＝0．1x.ｍl=０.05s=0.0５x.ml=0.５ｓ＝0.05x．ｍl=0．9s＝0.025x.ml=(０．9＋$xl）/２s=0.05ｘ.ｍl=$xｌs＝０.02５x.ml=($xl+＄xｄ)/2s=0.２5ｘ.mｌ＝$xd－0.0５s＝0.05x.mｌ=$ｘdｓ=０.０5#y.ml＝0.0s＝0.１000y.ml=０.3s=０.1000ｙ.ｍl＝$ｙ1s=0.0020y.mｌ＝$ｙ2s=0.0020ｙ．ml=$ｙ3s＝0.0100ｙ.ｍl=$ｙ4s=0.050０#dｅｖicestrｕcｔure#ＰOLAＲ.SCＡLEisｃhoseｎtomaｔchｃａlｉｂｒateｄvａｌueｓ#ｏf2DEGｃhaｒgeconcｅntrａtｉonregionnum＝1mａt=ＳｉNy．min=０y.max=$y1rｅgiｏnnｕm=２mat=AlＧaNy.ｍin=$y1y.ｍax=$y2donors＝1e１6ｘ.coｍp＝$xcｐolaｒcalc.ｓtraｉnpolａｒ．scaｌe=－０.5ｒｅgｉonnum=3mat=GａNy.miｎ=＄y2ｙ.ｍａx=$y4donoｒｓ=1e15polaｒcalc.sｔraiｎpoｌar.sｃａle=-0．5＃eｌｅctname=soｕrｃex．maｘ=０y.mｉn=$y1y.ｍaｘ＝$y3elecｔname=draiｎx.ｍｉn＝6.0ｙ.min=＄y1ｙ.max＝$y3ｅｌectnaｍe=ｇａｔex.mｉn=0.5x.max＝0.9y.mｉｎ=0.３y.ｍaｘ=$y1ｅｌｅcｔname＝gａｔeｘ.miｎ＝０.5x.mａx=$xly．ｍin=0.3y.ｍax=０.3＃ｄｏpinｇgaussiancharａcterｉstｉc=０.01conｃ=1e１8ｎ.tｙｐex.lefｔ＝0.０\x.ｒｉghｔ＝0.05y．ｔｏp＝＄y１y.bottｏm=$y3ｒａtio.ｌatｅral=0．01dｉreｃtion=ydopinggaussiancharacterｉstic=0.01conc=1e1８n.tyｐｅx．leｆｔ=$xd-0.０5＼x.right=$xdy.ｔｏp=$y1y．botｔｏm＝$y3ratｉｒａl＝0.０1ｄirection=ｙ#######＃##＃#######＃###＃#############＃##＃＃＃#＃##＃#####＃#＃＃#######＃#＃#＃KMparamｅteｒset######＃#####＃#＃##########＃##########＃###＃###＃#＃##＃#＃＃#＃######＃#####ｍaterｉalmatｅrｉａl=GaNｅg300=３.４aｌｉgn=0.8perｍitt=９.5＼?mun=９00ｍup＝10ｖｓatn=2e７nc300=1．07e18ｎv３０0=1.16e19\ｒeａl．iｎdex＝２.６7imag.ｉndex=０．001\?taun0＝$lttaup0=$ltmaｔerialmａｔerial＝ＡlGａNaffiｎｉty=3.8２eｇ300=3.９6align＝0.８peｒｍitｔ=９．5\?mｕｎ=600mup=１0nc300=2.07ｅ1８nv300=1.16e19＼real．indeｘ=２.